张彦合，周琳，刘文胜，朱志斌

(洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039)

离子溅射WS2涂层是轴承的一种先进表面润滑方法。WS2以分子状态牢固地与基材结合成一体，可以显著地降低摩擦因数、减少磨损，有效解决轴承的早期润滑问题。由于离子溅射WS2表面处理是轴承零件加工的最终处理工序，其会引起轴承零件表面形状误差和表面粗糙度的变化，进而影响轴承精度和使用性能。因此，必须对镀膜后的轴承沟道圆度、沟形误差、表面波纹度和表面粗糙度等的变化规律进行系统分析，对成套轴承旋转精度和使用性能的变化进行测试分析，以保证轴承在主机上使用的可靠性。

1 WS2涂层镀膜原理

离子溅射WS2涂层的工作原理为：首先使用13.5 MHz和2 kW的射频溅射仪及氩气净化系统，在镀膜室抽至高真空后(气压8×10-5Pa),充入氩气至工作气压4.0 Pa；接通旋转机构使工件旋转，离子轰击清理工件表面15 min；然后对靶施加400～1 000 V的负电压，产生辉光发电，氩离子轰击靶材表面，使靶材原子从靶表面溅射下来，向工件迁移，迁移过程中部分被电离，并在工件负偏压的作用下沉积于工件表面，形成涂层。靶由WS2粉烘干后与硫压制而成，WS2粉质量分数为 90%～99%，硫为1%～10% 。

利用上述射频溅射离子镀膜工艺形成的WS2涂层膜厚仅为0.5 μm，硬度30 HRC，膜最高承载可达到100 kPa，滑动摩擦因数动态仅为0.03，静态为0.07，在正常的大气压下润滑温度为-273～650 ℃，是良好的干膜润滑剂，可有效解决表面磨损。

利用球-盘摩擦、磨损试验机进行试验(钢球直径12.7 mm，钢球固定，盘试样旋转[1])，结果表明：WS2涂层具有优异的减摩耐磨性能，镀膜后磨损率从2.486×10-5g/m降到0.399×10-5g/m，摩擦因数从0.29降到0.035 5。

2 试验

选取同批次的8套6308ETN1轴承用于试验，套圈和钢球材料均为GCr15，保持架材料为聚酰胺PA66-GF25。采用射频溅射离子镀膜工艺对其中4套轴承进行离子溅射WS2表面处理，镀膜位置为内、外圈沟道，膜厚为0.5 μm。

将8套轴承逐一编号，其中1#～4#为镀膜轴承，5#～8#为未镀膜轴承。将其分为2组，先后装入同一台试验机进行试验。第1组1#，2#轴承分别安装在1，2号位； 3#，4#轴承分别安装在3，4号位；第2组5#，6#轴承分别安装在1，2号位， 7#，8#轴承分别安装在3，4号位。试验时关闭试验机润滑油路，轴承转速为5 000 r/min，径向载荷为2 kN，连续运转8 h。试验机结构如图1所示。

1—试验轴；2—衬套；3—1号位轴承；4—2号位轴承；5—载荷体；6—3号位轴承；7—4号位轴承

3 试验结果与分析

用Taylor轮廓仪、圆度仪等检测轴承内、外沟道镀膜前后的圆度、表面波纹度、表面粗糙度、沟形误差及沟曲率半径的变化，结果见表1和表2。

表1镀膜前后内、外沟道圆度、表面波纹度及沟形误差对比 μm

表2 镀膜前后内、外沟道沟曲率半径及表面粗糙度对比 μm

用轴承测量仪B013，B014及游隙仪X093等检测轴承镀膜前后的精度和游隙的变化，结果见表3。

表3 镀膜前后轴承的旋转精度及游隙对比 μm

从测试结果看，镀膜前后轴承的旋转精度、游隙及沟道圆度、沟形误差、沟曲率半径变化均不大，沟道表面波纹度及表面粗糙度略微降低，说明离子溅射WS2表面处理对轴承精度影响不大。对于普通轴承，镀膜后的套圈可不检测直接装配成套；但对振动噪声有特殊要求的轴承，应严格控制套圈沟道的表面波纹度及表面粗糙度，以确保镀膜轴承质量满足要求。

4 温升对比试验及结果分析

温升是衡量轴承性能的重要指标之一，较低的温升可以使轴承在高转速下长时间的运转。在同一试验机和相同工况下对比轴承的温升指标，以确定轴承镀层的润滑性能。轴承镀膜前、后的温升曲线如图2所示。

图2 轴承镀膜前后温升曲线图

通过试验数据可以看出，轴承连续运转8 h，镀膜轴承的最高温升为10 ℃，平均温升为7.75 ℃；而未镀膜轴承的最高温升为15 ℃，平均温升为13.25 ℃，这表明 WS2涂层润滑效果明显。

按上述试验条件对镀膜轴承进行加强试验，轴承每连续运转8 h停机0.5 h，共运转32 h后停机将轴承拆下。用B013，B014测量仪及X093游隙仪等检测轴承的精度和游隙，发现试验前后轴承的精度及游隙基本没有变化，在无润滑介质、轻载、短时间运转的情况下，WS2涂层对轴承精度及游隙基本没有影响。随后解体轴承并进行检查发现，镀膜轴承套圈沟道与钢球接触位置有明显的磨损痕迹，严重的地方已将涂层的兰灰色逐渐磨损掉，露出GCr15基体磨加工表面的光亮色。用X射线荧光分析仪X-Suppereme 8000、手持式合金分析仪S1 Sorter、扫描电子显微镜及能谱分析仪JSM-6610LV对WS2涂层磨损表面进行分析，结果发现磨损后W元素的质量分数由试验前的0.91%降低到0.39%，S元素的质量分数由试验前的0.218%降低到0.108%，并且在钢球上检测到了W元素(质量分数为0.23%)和S元素(质量分数为0.079%)，在钢球表面形成了WS2转移膜。

5 结论

(1)采用射频溅射离子镀膜工艺对轴承零件进行离子溅射WS2表面处理(膜厚0.5 μm)，对轴承零件精度、成品精度及游隙基本没有影响，但是对于高精密轴承或有特殊要求的轴承，应该严格控制套圈沟道表面波纹度及表面粗糙度。

(2)在无任何润滑介质的情况下，WS2涂层可以有效减小摩擦，降低温升，显著提高轴承的润滑性能，但WS2涂层磨损较快，只能解决轴承早期的润滑问题。

(3)镀膜轴承工作时，沟道上的WS2涂层会发生转移，在钢球表面形成WS2转移膜。